Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugs

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugs mit einem ersten Antrieb und einem zweiten Antrieb, mit einer Fahrbatterie und einem Brennstoffzellensystem unter Normalbedingungen und beim Auftreten von Ausfällen von Systemkomponenten.

Stand der Technik

Autonom fahrende Taxis (Robotaxis) sind zurzeit noch nicht in nennenswertem Umfange im Markt vertreten. Robotaxis sind meist mit einem batterieelektrischen Antrieb ausgerüstet. Für den Einsatz in städtischen Gebieten sind kleinere Geschwindigkeiten und damit kleinere Antriebsleistungen erforderlich. Autonom fahrende Taxis wie zum Beispiel Robotaxis sind wie herkömmliche Taxis nahezu rund um die Uhr im Einsatz, wobei die Tagesfahrstrecke in der Größenordnung von ca. 300 km liegt. Um eine gute Verfügbarkeit dieser Fahrzeuge

sicherzustellen, sind einerseits eine hohe Batteriekapazität sowie andererseits eine Schnellladefähigkeit unabdingbar. Wird die Heizung des Fahrgastraumes aus dem elektrischen Speicher entnommen, reduziert das in der kalten

Jahreszeit bei entsprechend niedrigen Außentemperaturen die Reichweite nicht unerheblich.

Autonom fahrende Taxis (Robotaxis) haben erhöhte Anforderungen an die Ausfallsicherheit des Antriebs im Fehlerfall zu erfüllen. Diese Anforderung wird in der Regel durch zwei redundante Antriebssysteme erfüllt. Im elektrischen System von Brennstoffzellenfahrzeugen, wird die Anpassung der beiden Antriebsquellen Fahrbatterie und Brennstoffzellensystem an das Traktionsnetz über DC/DC- Wandler realisiert. Diese Wandler benötigen jedoch Bauraum, erhöhen das Gewicht und erzeugen Verluste und Kosten. Brennstoffzellensysteme benötigen zum schnellen Starten eine externe elektrische Energiequelle, zum Beispiel in Form einer Batterie.

Darstellung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugs,

insbesondere eines autonom fahrenden Fahrzeugs vorgeschlagen, welches einen ersten Antrieb und einen zweiten Antrieb, eine Fahrbatterie und ein Brennstoffzellensystem aufweist und eine Fahrzeugsteuerung umfasst, wobei zumindest die nachfolgenden Verfahrensschritte durchlaufen werden: a) Anfahren des Fahrzeugs mit dem ersten Antrieb, der aus der Fahrbatterie gespeist wird bei gleichzeitigem Hochfahren des Brennstoffzellensystems des Fahrzeugs,

b) nach dem Hochfahren des Brennstoffzellensystems erfolgt eine Verteilung eines Momentenwunsches auf den ersten und den zweiten Antrieb, c) Ansteuerung des ersten Antriebes durch die Fahrzeugsteuerung im

generatorischen Modus zum Aufladen der Fahrbatterie, wobei

Ci) ein Abschalten des Brennstoffzellensystem oder

c ₂ ) ein Weiterbetrieb des Brennstoffzellensystems mit geringer Leistung erfolgt,

d) ein Nachladen der Fahrbatterie im Stand durch Ansteuerung des

Brennstoffzellensystems durch die Fahrzeugsteuerung, oder

e) ein Nachladen der Fahrbatterie während der Fahrt durch Ansteuerung des ersten Antriebes im Generatormodus und Antrieb des Fahrzeugs durch den zweiten Antrieb über das Brennstoffzellensystem erfolgt.

Die genannten Verfahrensschritte gelten für einen fehlerfreien Normalbetrieb mit gefüllten Energiespeichern.

In Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens erfolgt nach dem Verfahrensschritt Ci), wonach eine Abschaltung des Brennstoffzellensystems vorgenommen wird, nach Schließen eines ersten Schalters eine Weiterversorgung des Bordnetzes des Fahrzeugs durch den ersten Antrieb.

In vorteilhafter Weise erfolgt bei Verfahrensschritt c ₂ ), nämlich bei Weiterbetrieb des Brennstoffzellensystems mit geringer Leistung, die Einspeisung der entstehenden Leistung des Brennstoffzellensystems bei geöffnetem ersten Schalter in das Bordnetz des Fahrzeugs.

Für den Fall, dass abweichend vom fehlerfreien Normalbetrieb mit vollen

Energiespeichern ein Ausfall des ersten Antriebes, der einen Inverter und eine elektrische Maschine umfasst, auftreten sollte, wird in Abwandlung des obenstehenden Verfahrens mit dem Verfahrensschritt a) bis d) ein erster Schalter zum Starten des Brennstoffzellensystems geschlossen und nach dessen

Hochfahren wieder geöffnet, so dass das Fahrzeug allein aus dem

hochgefahrenen Brennstoffzellensystem versorgt wird.

Fällt in der vorstehend erwähnten Situation bei Ausfall des ersten Antriebes das Brennstoffzellensystem aus, so wird der erste Schalter geschlossen und der zweite Antrieb wird durch die Fahrbatterie gespeist und das Fahrzeug auf diese Weise fortbewegt.

Im Falle des Ausfalles der Fahrbatterie, wird ein zweiter Schalter geschlossen und das Brennstoffzellensystem zu dessen Start über einen DC/DC-Wandler aus einer Bord netz- Pufferbatterie versorgt, bei der es sich um eine normale 12 V- Fahrzeugbatterie handeln kann. Sobald das Brennstoffzellensystem

hochgefahren ist, wird der zuvor geschlossene zweiter Schalter wieder geöffnet und das Brennstoffzellensystem des Fahrzeugs versorgt sich selbst.

Kommt es zu einem Ausfall des Brennstoffzellensystems und/oder zu einem Ausfall des zweiten Antriebs des Fahrzeugs, so wird dieses durch den ersten Antrieb, der kontinuierlich von der Fahrbatterie gespeist wird, angetrieben und fortbewegt. Fällt hingegen der erste Antrieb aus, wird der erste Schalter geschlossen und das Fahrzeug über den zweiten Antrieb, der von der Fahrbatterie gespeist wird, fortbewegt.

In diesem Falle wird durch eine im Brennstoffzellensystem angeordnete

Sperrdiode eine Stromrückeinspeisung in das Brennstoffzellensystem

unterbunden.

Vorteile der Erfindung

Die Vorteile der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung liegen unter anderem darin, dass bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen

Betriebsstrategie für ein autonom fahrendes Taxi (Robotaxi) lediglich ein DC/DC- Wandler für das 12 V-Bordnetz eingesetzt werden muss, was Gewichts- und Kostenvorteile mit sich bringt. Die Weiterfahrt des autonom fahrenden Fahrzeugs ist bei Ausfall eines der beiden Antriebe durch die erfindungsgemäß

vorgeschlagene fehlertolerante Betriebsstrategie mit zwei voneinander getrennten unabhängigen Antriebssystemen gewährleistet. Vorteile gegenüber einem rein batteriebetriebenen autonom fahrenden Fahrzeug liegen darin, dass bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Betriebsstrategie für ein Fahrzeug mit einer Fahrbatterie und einem Brennstoffzellensystem, eine hohe Verfügbarkeit desselben dadurch gewährleistet ist, dass ein schnelles Nachladen von

Brennstoff, insbesondere gasförmigem Wasserstoff möglich ist. Des Weiteren kann in vorteilhafter Weise die Abwärme aus dem Brennstoffzellensystem zur Beheizung des Fahrzeuginnenraumes genutzt werden, ohne dass die Reichweite des Fahrzeugs in nennenswerter Weise reduziert würde.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.

Es zeigt:

Figur 1 die Topologie eines autonom fahrenden Fahrzeugs mit zwei

voneinander unabhängigen Antriebssystemen, nämlich einer Fahrbatterie und einem Brennstoffzellensystem,

Figuren 2

bis 8 verschiedene Betriebsszenarien des Fahrzeuges gemäß der

Topologie nach Figur 1

Ausführungsvarianten

Der Darstellung gemäß Figur 1 ist ein Fahrzeug 10 zu entnehmen, welches eine Fahrzeugsteuerung 12 umfasst, an die ein Fahrerwunsch 36 übermittelt wird. Das Fahrzeug 10 umfasst einen ersten Antrieb 14, der in der Topologie gemäß Figur 1 einen ersten Inverter 16 sowie eine erste elektrische Maschine 18 umfasst, die sowohl im Motormodus als auch im Generatormodus betrieben werden kann. In den nachfolgenden Figuren 1 - 8 bezeichnen die

Bezugszeichen 40 und 42 eine erste und eine zweite Sperrdiode.

Darüber hinaus weist das Fahrzeug 10 einen zweiten Antrieb 20 auf, der einen zweiten Inverter 22 und eine zweite elektrische Maschine 24 umfasst, die ebenfalls je nach Ansteuerung durch die Fahrzeugsteuerung 12 im Motormodus wie auch im Generatormodus betrieben werden können. Das Fahrzeug 10 umfasst eine Fahrbatterie 26, bei der es sich um eine elektrochemische Batterie handelt, sowie als weiteren Antrieb ein Brennstoffzellensystem 28, welches gegebenenfalls mit einem Verdichter 30 ausgestattet sein kann sowie darüber hinaus auch einen Luftbefeuchter umfassen kann, der hier jedoch nicht näher dargestellt ist.

Mittels eines ersten Schalters 32 und eines zweiten Schalters 34, die jeweils in ihre offene und ihre geschlossene Position geschaltet werden können, können sowohl der erste Antrieb 14 als auch der zweite Antrieb 20 wie auch die

Energiesysteme Fahrbatterie 26 sowie Brennstoffzellensystem 28 miteinander in verschiedenen Kombinationen, wie nachfolgend noch erläutert werden wird, zusammengeschaltet oder getrennt werden.

Das Brennstoffzellensystem 28 umfasst eine Sperrdiode 38, die bei

entsprechender Stellung des ersten Schalters 32 und des zweiten Schalters 34 eine Rückeinspeisung von Strom in das Brennstoffzellensystem 28 verhindert.

Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass das Fahrzeug 10 einen DC/DC- Wandler umfasst, der ein Bordnetz 46 von den Antriebssystemen, d.h. der elektrochemischen Fahrbatterie 26 und dem Brennstoffzellensystem 28 trennt. Das Bordnetz 46 umfasst eine Bordnetz- Pufferbatterie 56, bei der es sich in der Regel um eine 12 Volt-Batterie handelt.

Bei dem in Figur 1 dargestellten Szenario, stehen der erste Schalter 32 sowie der zweite Schalter 34 offen. Der Antrieb des Fahrzeugs 10 erfolgt über die

Fahrbatterie 26 und den ersten Antrieb 14, den ersten Inverter 16 sowie die erste elektrische Maschine 18 umfassend, die in diesem Fall im Motormodus angesteuert wird. Der im Brennstoffzellensystem 28 aufgenommene Verdichter 30 wird in diesem Szenario über die Fahrbatterie 26 versorgt, während beim Antrieb des Fahrzeugs 10 in diesem Szenario aus der Fahrbatterie 26 das Brennstoffzellensystem 28 gleichzeitig gestartet und langsam hochgefahren wird.

Figur 2 zeigt den Fall, dass das Fahrzeug 10 über das Brennstoffzellensystem 28 angetrieben wird. Bei dem in Figur 2 dargestellten Szenario stehen sowohl der erste Schalter 32 als auch der zweite Schalter 34 offen und der Antrieb des Fahrzeugs 10 erfolgt über das hochgefahrene Brennstoffzellensystem 28 und den zweiten Antrieb 20, der den zweiten Inverter 22 sowie die zweite elektrische Maschine 24 umfasst, die in diesem Falle von der Fahrzeugsteuerung 12 im Motormodus betrieben wird. In diesem Zustand ist allein das

Brennstoffzellensystem 28 aktiv.

Figur 3 zeigt den Antrieb des Fahrzeugs sowohl durch die Fahrbatterie 26 als auch durch das Brennstoffzellensystem 28. Sowohl der erste Schalter 32 als auch der zweite Schalter 34 stehen offen und der Antrieb des Fahrzeugs 10 erfolgt über das Brennstoffzellensystem 28, den ersten Antrieb 14 sowie gleichzeitig über die Fahrbatterie 26 und den zweiten Antrieb 20. Die

Fahrzeugsteuerung 12 verteilt den Momentenwunsch entsprechend des

Fahrerwunsches 36 an den ersten Antrieb 14 und/oder den zweiten Antrieb 20.

Es stellt die Summe aus beiden abgegebenen Leistungen zur Verfügung. Der Verdichter 30, der gegebenenfalls im Brennstoffzellensystem 28 vorgesehen sein kann, wird über das Brennstoffzellensystem 28 autark versorgt, welches aktiv ist. Ein Nachladen der Batterie kann in dem in Figur 3 dargestellten Szenario über die Fahrzeugsteuerung 12 erfolgen, welche den zweiten Antrieb 20 im

Generatormodus ansteuert, so dass die Fahrbatterie 26 rekuperativ geladen werden kann.

Figur 4 zeigt ein Szenario für den Fall, dass es zu einem Ausfall 48 des ersten Antriebes 14 des Fahrzeugs 10 gekommen ist. Gemäß Figur 4 stehen sowohl der erste Schalter 32 als auch der zweite Schalte 34 offen, der Antrieb des Fahrzeugs 10 erfolgt über das Brennstoffzellensystem 28 und den zweiten Antrieb 20, der den zweiten Inverter 22 und die zweite elektrische Maschine 24 umfasst, welche in diesem Fall im Motormodus durch die Fahrzeugsteuerung angesteuert wird. Auch in diesem Falle wird der optional im

Brennstoffzellensystem 28 vorgesehene Verdichter 30 über das

Brennstoffzellensystem 28 versorgt. Bei Ausfall 48 des ersten Antriebes 14 ergibt sich eine reduzierte Leistung und eine herabgesetzte Dynamik beim Fahren des Fahrzeugs 10.

Der Darstellung gemäß Figur 5 ist ein Szenario zu entnehmen, bei dem es zum Ausfall 48 des ersten Antriebes 14 und zum Ausfall 50 des

Brennstoffzellensystems 28 gekommen ist. Für diesen Fall wird der erste Schalter 32 über die Fahrzeugsteuerung 12 geschlossen, während der zweite Schalter 34 in seiner Offenstellung verbleibt. Der Antrieb des Fahrzeugs erfolgt über die Batterie 26, der auch den Verdichter 30 des Brennstoffzellensystems 28 versorgt. Auch in diesem Falle ergibt sich für das Fahrzeug 10 eine reduzierte Leistung und eine reduzierte Reichweite, da eines der voneinander getrennten Antriebssysteme, nämlich das Brennstoffzellensystem 28 ausgefallen ist.

Bei dem in Figur 6 dargestellten Szenario ist ein Ausfall 52 des zweiten Antriebes 20 aufgetreten. Der Antrieb des Fahrzeugs 10 erfolgt über die vorzugsweise als elektrochemische Batterie beschaffene Fahrbatterie 26 und den ersten Antrieb 14, der den ersten Inverter 16 und die erste elektrische Maschine 18 umfasst. Auch der Verdichter 30 wird über die Fahrbatterie 26 versorgt; der erste Schalter 32 sowie der zweite Schalter 34 stehen jeweils in ihrer Offenstellung. Auch hier stellt sich beim autonom fahrenden Fahrzeug 10 eine reduzierte Leistung, damit eine verringerte Geschwindigkeit sowie eine geringere erreichbare Reichweite in Bezug auf den Aktionsradius des Fahrzeugs 10, ein.

Bei dem in Figur 7 dargestellten Szenario ist die Fahrbatterie 26 sowie der zweite Antrieb 20 ausgefallen. Der erste Schalter 32 ist geschlossen, während der zweite Schalter 34 offensteht. Der Antrieb des Fahrzeugs 10 erfolgt über das Brennstoffzellensystem 28 sowie den ersten Antrieb 14, der den ersten Inverter 16 und die erste elektrische Maschine 18 umfasst, die in diesem Falle im

Motorbetrieb angesteuert wird. Bei ausgefallener Fahrzeugbatterie 26 wird der Verdichter 30 unmittelbar über das Brennstoffzellensystem 28 versorgt. Aber auch in diesem Betriebszustand stellen sich reduzierte Fahrleistungen in Bezug auf die erreichbare Höchstgeschwindigkeit sowie eine verringerte Reichweite und eine deutlich herabgesetzte Fahrdynamik des Fahrzeugs 10 ein.

Im in Figur 8 dargestellten Szenario ist es zu einem Ausfall 54 der Batterie gekommen.

Fällt die Fahrbatterie 26 aus, so wird der zweite Schalter 34, wie in Figur 8 dargestellt, geschlossen, wohingegen der erste Schalter 32 in seiner

Offenstellung verbleibt. Sobald das Brennstoffzellensystem 28 hochgefahren ist und der zweite Schalter 34 wieder offensteht, erfolgt der Antrieb des Fahrzeugs 10 über das Brennstoffzellensystem und beispielsweise über die Komponenten des zweiten Antriebes 20.

Wie obenstehend anhand der beschriebenen Ereignisse erläutert wird beim Ausfall einer Komponente des ersten Antriebs 14 zum Start des

Brennstoffzellensystems 28 der erste Schalter 32 geschlossen. Sobald das Brennstoffzellensystem 28 hochgefahren ist, wird der erste Schalter 32 wieder geöffnet, so dass das Fahrzeug 10 danach allein aus dem

Brennstoffzellensystem 28 versorgt wird. In diesem Falle dient die Fahrbatterie 26 als Puffer zur Versorgung des Bordnetzes 46. Einschränkungen ergeben sich dadurch, dass die Leistung des Fahrzeugs auf die des Brennstoffzellensystems 28 reduziert ist. Für den Fall, dass es zu einem Ausfall 50 des

Brennstoffzellensystems kommt, kann der erste Schalter 32 geschlossen werden, so dass die Fahrbatterie 26 nunmehr den zweiten Antrieb 20 versorgt.

Für den Fall des Ausfalles 54 der Batterie 26, wird der zweite Schalter 34 geschlossen und das Brennstoffzellensystem 28 wird zu dessen Start über den bidirektionalen DC/DC-Wandler 44 aus der Bordnetz- Pufferbatterie 56 des Bordnetzes versorgt. Bei dieser handelt es sich um eine herkömmliche 12 V- Fahrzeugbatterie. Nach Hochfahren des Brennstoffzellensystems 28 wird der zweite Schalter 34 geöffnet und das Brennstoffzellensystem 28 des Fahrzeugs 10 versorgt sich selbst.

Bei Ausfall des Brennstoffzellensystems 28 kann das Fahrzeug mit

eingeschränkter Reichweite aus der Fahrbatterie 26 und dem ersten Antrieb 14 betrieben werden. Kommt es in diesem Zustand zum Ausfall 48 des ersten Antriebes, wird der erste Schalter 32 geschlossen und das Fahrzeug wird über die Fahrbatterie 26 und den zweiten Antrieb 20 bewegt. Für diesen Fall verhindert die Sperrdiode 38, die im Brennstoffzellensystem 28 vorgesehen ist, eine Stromrückeinspeisung in das Brennstoffzellensystem 28.

Um die Ausfallsicherheit eines autonom fahrenden Fahrzeugs 10 wie anhand der Betriebsstrategie beschrieben, können die redundanten Antriebe zusätzlich mit einem redundanten Bordnetz 46 kombiniert werden. Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.